不同生育期成齡灰棗樹(shù)莖流速率與氣象因子的關(guān)系

張 洋，馬英杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】植物體的水分運(yùn)輸途徑是根—莖—葉，最后通過(guò)葉片的氣孔散失掉，而這其中被蒸騰消耗掉的水分有99%來(lái)自液流[1]。通過(guò)對(duì)莖流的觀測(cè)能間接反映作物的耗水規(guī)律及特征值。對(duì)于作物耗水量的研究，有些測(cè)量方法易影響作物的現(xiàn)實(shí)生長(zhǎng)環(huán)境，且儀器操作起來(lái)復(fù)雜繁瑣[2-3]。熱技術(shù)[4-5]被廣泛的應(yīng)用，是測(cè)量植物蒸騰耗水較為成熟的方法。針式莖流計(jì)[6]作為熱技術(shù)的方法之一，能夠在苛刻的野外條件下實(shí)時(shí)定點(diǎn)連續(xù)性監(jiān)測(cè)。分析莖流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解到作物蒸騰的耗水規(guī)律，以及作物水分供求關(guān)系。在水資源匱乏的新疆阿克蘇地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水短缺已成為影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。以紅棗等[7-8]的果樹(shù)種植業(yè)受到嚴(yán)重影響。研究果樹(shù)的水分運(yùn)輸機(jī)制和耗水特征，對(duì)優(yōu)化棗樹(shù)的土壤水分管理有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】孫慧珍等[9]研究發(fā)現(xiàn)，白樺樹(shù)的莖流量峰值在8月達(dá)到最大，不同生育期的氣象因子對(duì)其影響不同。馬建新等[10]對(duì)胡楊的研究發(fā)現(xiàn)，地下水位埋深對(duì)胡楊液流變化有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。劉海軍等[11]研究表明，對(duì)楊樹(shù)莖流速率影響最顯著的是太陽(yáng)輻射。孫雨婷等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在不同天氣條件的棗樹(shù)日累計(jì)莖流量呈現(xiàn)明顯差異。盧桂賓等[13]研究發(fā)現(xiàn)，棗樹(shù)夜間有微弱的莖流活動(dòng)且日累積蒸散量曲線(xiàn)呈“S”分布。李長(zhǎng)城等[14]研究表明，在7月中下旬的持續(xù)高溫天氣中，主導(dǎo)棗樹(shù)莖流速率波動(dòng)變化的是溫度。李宏等[15]研究發(fā)現(xiàn)，空氣濕度和其它氣象因子不同，與幼齡棗樹(shù)莖流速率的波動(dòng)趨勢(shì)相反?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前多側(cè)重于幼齡果樹(shù)的研究，而對(duì)成齡棗樹(shù)的莖流研究較少。尤其是氣象因子對(duì)棗樹(shù)的莖流速率在不同生育期的影響程度及耗水規(guī)律還需進(jìn)一步研究。研究不同生育期成齡灰棗樹(shù)莖流速率與氣象因子的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于針式莖流計(jì)，對(duì)棗樹(shù)莖流速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析成齡棗樹(shù)在不同氣象因子影響下的莖流速率變化規(guī)律，研究棗樹(shù)各生育期內(nèi)的耗水規(guī)律，建立莖流速率與氣象因子的關(guān)系模型，精準(zhǔn)測(cè)定該地區(qū)棗樹(shù)耗水量。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)阿克蘇市南工業(yè)園內(nèi)，E 80°22’，N 41°08’，海拔1 133 m。地處塔里木盆地北部，屬于大陸性南溫帶干旱氣候，光照資源豐富，四季分明。多年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)2 911 h，多年平均太陽(yáng)輻射5 671.36 w/m2，年平均降雨量為68.4 mm，多年平均氣溫11.2℃，日最高溫40.9℃，日極端低溫-27.4℃，無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)212 d。表1

表1 土壤剖面基本物理性狀Table 1 Basic physical properties of soil

試驗(yàn)于2019年4～10月進(jìn)行，供試果樹(shù)為17年生灰棗樹(shù)，樹(shù)體平均株高約為4 m，株行距2.0 m×4.0 m。試驗(yàn)區(qū)采用種植行單管布置方式進(jìn)行灌溉，管徑20 mm，噴頭流量47 L/h，噴頭間距3 m。每10 d灌水1次，灌水時(shí)長(zhǎng)為10 h。通過(guò)對(duì)成齡灰棗樹(shù)在整個(gè)生育期的觀察和記錄，并結(jié)合其棗樹(shù)自身的生長(zhǎng)特征，把生育期劃分為4個(gè)時(shí)期：4月19日～5月15日為萌芽展葉期(D1)；5月16日～6月22日為花期(D2)；6月23日～9月2日為果實(shí)膨大期(D3)；9月3日～10月15日為成熟期(D4)。

1.2 方 法

1.2.1 莖流速率測(cè)定

隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致、無(wú)病蟲(chóng)害、生長(zhǎng)健康的灰棗樹(shù)3株，采用針式莖流計(jì)測(cè)定莖流速率。其中加熱探針距地面40 cm，另1根探針距加熱探針上方12 cm，并用泡沫板進(jìn)行固定，用反光隔熱膜進(jìn)行包裹，在探針上方用膠布對(duì)其包裹密封，防止水流順著棗樹(shù)的莖稈流下并接觸傳感器。每30 min采集并記錄1次數(shù)據(jù)。莖流速率計(jì)算公式[16]如下：

(1)

式中：U為莖流速率，mL/(cm2·min)；ΔT為2探針之間的溫度差，(℃)；ΔTmax為晚間2個(gè)探針之間最大溫差(℃)。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

在試驗(yàn)地內(nèi)安裝的小型自動(dòng)監(jiān)測(cè)氣象站W(wǎng)atch Dog，架設(shè)高度為4.5 m。氣象站在棗樹(shù)全生育期監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻射(PAR)、空氣溫度(Ta)、空氣濕度(RH)、風(fēng)速(W)等氣象因子，每30 min記錄1次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 25.0對(duì)其處理和分析，并構(gòu)建成齡棗樹(shù)莖流速率和氣象因子的多元回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同天氣條件下棗樹(shù)各生育期莖流速率的變化特征

研究表明，棗樹(shù)在3種典型天氣下D1、D2、D3和D4的莖流速率波動(dòng)趨勢(shì)近似。在晴天和陰天下，各時(shí)期莖流速率波動(dòng)趨勢(shì)大都呈倒“U”型單峰曲線(xiàn)。在晴天條件下，D2和D3的莖流速率都是“M”型雙峰曲線(xiàn)。而多云的條件下，D3和D4的莖流速率呈現(xiàn)明顯的多峰曲線(xiàn)。

各生育期莖流速率峰值出現(xiàn)的時(shí)間因天氣條件不同有較大差異。出現(xiàn)峰值時(shí)間：萌芽展葉期D1(14:30～17:00)、花期D2(12:30～16:30)、果實(shí)膨大期D3(13:30～17:00)、成熟期D4(14:00～17:30)。在晴天，果實(shí)膨大期和成熟期莖流速率峰值高于其它生育期，其峰值分別為3 182.85和2 942.36 mL/h。不同天氣條件下各生育期峰值排序均為：D3>D4>D2>D1；各生育期內(nèi)不同天氣對(duì)應(yīng)的峰值排序均為：晴天>多云>陰天。多云天氣下萌芽展葉期莖流速率峰值最小(953.17 mL/h)，其余生育期在1 815.83～2 380.17 mL/h的浮動(dòng)。圖1

圖1 各生育期內(nèi)典型天的莖流速率特征Fig.1 Characteristics of stem flow rate of typical days in different growth periods

2.2 不同生育期成齡棗樹(shù)莖流速率的晝夜變化特征

研究表明，D1(5月1～3日)、D2(6月2～4日)、D3(8月1～3日)、D4(9月27～29日)棗樹(shù)的莖流速率晝夜波動(dòng)曲線(xiàn)均出現(xiàn)了單、雙峰。而只有D1的莖流速率波動(dòng)曲線(xiàn)是單峰，而其余生育期的曲線(xiàn)都有雙峰。D2和D3階段的2個(gè)峰值間，棗樹(shù)葉片氣孔關(guān)閉進(jìn)入“午休”狀態(tài)，而D4階段的第2個(gè)峰值出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象。查看當(dāng)天的氣象資料和試驗(yàn)記錄顯示：太陽(yáng)輻射從16:00開(kāi)始大幅下降，但空氣溫度從中午13:30開(kāi)始就持續(xù)上升，直到下午18:30才到達(dá)峰值，棗樹(shù)的莖流速率出現(xiàn)第2個(gè)峰值時(shí)滯后于空氣溫度峰值1 h。

棗樹(shù)莖流速率在02:00～08:00間較低，但仍有明顯的莖流活動(dòng)，在10～350 mL/h的范圍波動(dòng)。08:00～13:00間棗樹(shù)的莖流速率大幅度提升，在13:00～15:30間莖流速率達(dá)到峰值，在20:00～22:00間莖流速率大幅下降。在23：30后莖流速率值在1個(gè)趨于0的范圍浮動(dòng)。棗樹(shù)的莖流速率在日間整體的變化趨勢(shì)近似為：開(kāi)始的穩(wěn)定上升，達(dá)到峰值附近趨于平緩，最后迅速下降。日間棗樹(shù)的莖流活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)高達(dá)14 h左右。圖2

圖2 各生育期成齡棗樹(shù)莖流速率晝夜變化Fig.2 Diurnal Variation of stem flow rate of mature jujube in different growth periods

2.3 不同生育期成齡棗樹(shù)莖流速率的日變化特征

研究表明，D3與D4的莖流速率曲線(xiàn)均有雙峰，但D1和D2的莖流速率曲線(xiàn)呈寬型單峰曲線(xiàn)。在中午14:30時(shí)，D3的莖流速率達(dá)到峰值，此后莖流速率呈明顯下降趨勢(shì)，但在17:00后再次上升達(dá)到第2個(gè)峰值。D4的莖流速率在15:30到達(dá)頂峰后，過(guò)了4 h再次達(dá)到第2個(gè)峰值，與D3的2個(gè)峰值時(shí)間間隔近似。

D1、D2、D3和D4的莖流速率在1 d中的各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)也有著不同的變化過(guò)程。各生育期棗樹(shù)莖流在08:00后，最大增幅出現(xiàn)時(shí)間：D1在09:30～10:30、D2和D3在09:00～10:30、D4在09:00～10:00間。莖流速率達(dá)到頂峰和峰值的時(shí)間分別為：D1在16:00出現(xiàn)最大值1 215.98 mL/h、D2在15:30出現(xiàn)最大值1 934.55 mL/h、D3在14:30出現(xiàn)最大值3 302.54 mL/h、D4在15:30出現(xiàn)最大值2 152.70mL/h，莖流速率最大降幅出現(xiàn)時(shí)間：D1在18:00～19:00、D2和D3在19:30～21:30、D4在20:30～21:30。圖3

圖3 各生育期成齡棗樹(shù)莖流速率日變化Fig.3 Daily variation of stem flow rate of mature jujube in different growth periods

2.4 不同生育期成齡棗樹(shù)莖流耗水量

研究表明，1 d中棗樹(shù)的莖流累積趨勢(shì)呈“S”變化，日累積莖流量在10:00～18:30間開(kāi)始出現(xiàn)明顯的累積遞增趨勢(shì)，D3最快，D2次之，D4較慢，D1最慢。果實(shí)成熟期(D4)相對(duì)花期(D2)、果實(shí)膨大期(D3)的太陽(yáng)輻射較弱、空氣溫度較低且空氣濕度較高。各生育期典型日累積耗水量分別為D1=7.31 L、D2=13.29 L、D3=21.16 L、D4=17.33 L。因此，棗樹(shù)在全生育期每日耗水量變化規(guī)律為：從萌芽展葉期開(kāi)始逐步增加，到果實(shí)膨大期達(dá)到最大后減弱。圖4

圖4 各生育期成齡棗樹(shù)莖流的日累積過(guò)程Fig.4 Daily accumulation process of stem flow of mature jujube in different growth periods

在全生育期中，D3耗水量最大(1 502.36 L)；D1最小(190.06 L)。由于棗樹(shù)在果實(shí)膨大期，在適應(yīng)外界強(qiáng)烈的氣象條件的同時(shí)，果實(shí)發(fā)育長(zhǎng)大的過(guò)程需水量增加。但在萌芽展葉期空氣溫度和太陽(yáng)輻射相對(duì)其它生育期較低，棗樹(shù)葉面積較小，耗水量偏低。表2

表2 各生育期棗樹(shù)耗水情況Table 2 Water consumption of jujube in different growth periods

2.5 不同生育期成齡棗樹(shù)莖流速率與氣象因子的關(guān)聯(lián)度

研究表明，各時(shí)期莖流速率的波動(dòng)過(guò)程在氣象因子的影響下呈現(xiàn)相近的變化趨勢(shì)。從早上開(kāi)始，受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增加和空氣溫度上升的影響，棗樹(shù)的莖流活動(dòng)加劇，莖流速率提升。莖流速率與太陽(yáng)輻射、空氣溫度呈正相關(guān)；與風(fēng)速也呈正相關(guān)，但相對(duì)于前2個(gè)氣象因子相關(guān)程度較低。但到13:30～16:00間太陽(yáng)輻射達(dá)到1 d中最大值，莖流速率也達(dá)到了峰值，此時(shí)空氣溫度仍在緩慢上升，相對(duì)于太陽(yáng)輻射峰值滯后2～4 h。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)空氣濕度很低，莖流速率相對(duì)于其它3個(gè)氣象因子與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)。圖5

圖5 成齡棗樹(shù)的莖流速率與氣象因子的特征變化Fig.5 Characteristic changes of stem flow rate and meteorological factors of mature jujube

空氣溫度和空氣濕度在很大程度上隨著太陽(yáng)輻射的起伏而波動(dòng)，所以太陽(yáng)輻射與棗樹(shù)莖流速率相關(guān)性最為顯著。

各生育期的莖流速率與太陽(yáng)輻射相關(guān)系數(shù)RD1=0.964**、RD2=0.969**、RD3=0.957**和RD4=0.886**。各生育期莖流速率與氣象因子的關(guān)聯(lián)程度表現(xiàn)為：(1)萌芽展葉期(D1)太陽(yáng)輻射>空氣濕度>空氣溫度>風(fēng)速；(2)花期(D2)和果實(shí)膨大期(D3)太陽(yáng)輻射>空氣溫度>空氣濕度>風(fēng)速；(3)成熟期(D4)空氣溫度>空氣濕度>太陽(yáng)輻射>風(fēng)速。表3

表3 成齡棗樹(shù)各生育期內(nèi)莖流速率與氣象因子的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation between stem flow rate and meteorological factors in different growth periods of mature jujube

將太陽(yáng)輻射、空氣溫度、空氣濕度和風(fēng)速與各生育期莖流速率構(gòu)建回歸模型，R2D1=0.937、R2D2=0.943、R2D3=0.917、R2D4=0.889，模型模擬效果較好。表4

表4 成齡棗樹(shù)各生育期內(nèi)莖流速率與氣象因子的多元回歸模型Table 4 Multiple regression model of stem flow rate and meteorological factors in different growth periods of mature jujube

3 討 論

雙峰的波動(dòng)變化情況原因是：正值中午，在氣象因子(太陽(yáng)輻射、空氣溫度)的強(qiáng)烈作用下，棗樹(shù)在酷熱干燥的條件下，暫時(shí)關(guān)閉葉片的氣孔，降低棗樹(shù)的蒸騰速率，葉片進(jìn)入“午休”[17-18]。當(dāng)外界氣象因子對(duì)棗樹(shù)葉片影響相對(duì)減弱時(shí)，這時(shí)葉片中的氣孔也隨之開(kāi)啟，莖流速率又出現(xiàn)明顯的遞增趨勢(shì)。在3種典型天氣條件下各生育期棗樹(shù)莖流速率的峰值有很大不同。在晴天，果實(shí)膨大期和成熟期莖流速率峰值明顯高于其它生育期，晴天相對(duì)于多云和陰天峰值最大。不同天氣條件的本質(zhì)上就是氣象因子發(fā)生了變化[17-18]。其原因是太陽(yáng)輻射是棗樹(shù)莖流速率最直接的驅(qū)動(dòng)力。[19]

周維金[20]研究表明，尤其是在果實(shí)膨大期，太陽(yáng)輻射與空氣溫度均和棗樹(shù)莖流速率呈正相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在成熟期棗樹(shù)莖流速率與空氣溫度相關(guān)程度最高，其余生育期均為太陽(yáng)輻射。劉鑫等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在棗樹(shù)的整個(gè)生育期內(nèi)，花期莖流速率最大、耗水最多，萌芽展葉期最小。試驗(yàn)研究表明，在果實(shí)膨大期棗樹(shù)的莖流速率和莖流累積量均最大。棗樹(shù)為了能夠調(diào)節(jié)自身的水平衡并維持正常的生長(zhǎng)狀態(tài)，果實(shí)發(fā)育長(zhǎng)大的過(guò)程需水量增加，在干燥炎熱的環(huán)境下迫使根系吸收更多的水分，從而加快了樹(shù)體內(nèi)液流的水分運(yùn)輸，莖流速率提升[22]。

在研究中，各生育期內(nèi)4個(gè)氣象因子均與棗樹(shù)的莖流速率有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)程度。這些氣象因子的波動(dòng)會(huì)直接制約莖流速率，影響莖流速率峰值的變化。

蒸騰拉力對(duì)植物體內(nèi)莖流速率的影響有著至關(guān)重要的作用[23]。王文明等[24]研究表明，除了對(duì)日間蒸騰的補(bǔ)充外，由于夜間的空氣仍然處于干燥的狀態(tài)并且存在空氣流動(dòng)的影響，夜間繼續(xù)保持莖流的活動(dòng)也是對(duì)蒸騰散失掉水分的補(bǔ)給。研究結(jié)果表明，成齡灰棗樹(shù)的夜間莖流速率在10～350 mL/h的范圍波動(dòng)，正是因?yàn)槿臻g棗樹(shù)劇烈的蒸騰作用，在一定程度上導(dǎo)致棗樹(shù)體內(nèi)水分虧缺，棗樹(shù)為了維持自身水分平衡和日間水分的過(guò)度消耗，需在夜間進(jìn)行水分的補(bǔ)充。因此，夜間仍存在明顯的液流活動(dòng)。

在微噴灌的灌溉方式下，各生育期的耗水量呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，花期的太陽(yáng)輻射和空氣溫度都高于成熟期，但棗樹(shù)在成熟期的耗水量卻高于花期。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，花期棗樹(shù)莖流速率隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而提升，兩者的變化趨勢(shì)基本同步。在成熟期棗樹(shù)的莖流速率在08:30～09:00間加快時(shí)，太陽(yáng)輻射滯后1 h開(kāi)始增強(qiáng)，太陽(yáng)輻射開(kāi)始在16:00～17:00間減弱時(shí)，莖流速率又滯后于太陽(yáng)輻射1 h。莖流速率的變化過(guò)程曲線(xiàn)明顯寬于太陽(yáng)輻射的變化曲線(xiàn)，而花期棗樹(shù)莖流速率的峰值又小于成熟期，棗樹(shù)的莖流速率能間接反映棗樹(shù)的蒸騰速率，所以成熟期的耗水量大于花期。通過(guò)對(duì)整個(gè)生育期的莖流速率分析發(fā)現(xiàn)，并不是太陽(yáng)輻射越大、空氣溫度越高棗樹(shù)的莖流速率越快[25]。在李宏等[26]研究中發(fā)現(xiàn)，不同生育期幼齡棗樹(shù)的耗水規(guī)律為果實(shí)膨大期>成熟區(qū)>花期>萌芽展葉期，與研究對(duì)比，成齡棗樹(shù)在各生育期的耗水規(guī)律與幼齡棗樹(shù)基本一致。

4 結(jié) 論

4.1棗樹(shù)在3種典型天氣下各生育期棗樹(shù)的莖流速率有顯著差異。各生育期內(nèi)不同天氣對(duì)應(yīng)的峰值排序都為：晴天>多云>陰天。晴天和陰天莖流速率的波動(dòng)過(guò)程呈倒“U”型單峰曲線(xiàn)，而多云天氣下呈“M”型的雙峰或多峰曲線(xiàn)。

4.2除萌芽展葉期(D1)外，各生育期棗樹(shù)莖流速率曲線(xiàn)都呈現(xiàn)出雙峰的變化趨勢(shì)。花期(D2)出現(xiàn)雙峰的時(shí)間段分別是13:30～15:30和16:30～17:30；果實(shí)膨大期(D3)出現(xiàn)雙峰的時(shí)間分別是13:30～15:00和16:30～17:30；成熟期(D4)出現(xiàn)雙峰的時(shí)間段分別是13:30～16:00和18:30～19:30。

4.3在各生育期內(nèi)成齡灰棗樹(shù)的日累積變化趨勢(shì)整體呈“S”型曲線(xiàn)分布，日間棗樹(shù)的莖流活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)高達(dá)14 h左右。日累積莖流量在10:00～18:30內(nèi)有明顯的累積遞增趨勢(shì)，增幅D3>D2>D4>D1日累積量具有顯著差異，日均耗水量和總耗水量的變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，D3>D4>D2>D1。日均耗水量最大值和最小值分別是21.16和7.31 L，對(duì)應(yīng)該生育期總的耗水量是1 502.36 L和190.06 L。

4.4在整個(gè)生育期內(nèi)，空氣溫度和空氣濕度在很大程度上隨著太陽(yáng)輻射的起伏而波動(dòng)，所以，太陽(yáng)輻射與棗樹(shù)的莖流速率的相關(guān)度最密切。各生育期太陽(yáng)輻射與棗樹(shù)莖流速率的相關(guān)系數(shù)RD1=0.964**、RD2=0.969**、RD3=0.957**和RD4=0.886**。在成齡灰棗樹(shù)的各生育期內(nèi)建立莖流速率與氣象因子的回歸模型。各生育期的多元線(xiàn)性回歸方程均達(dá)到顯著水平。